现代传感器原理及应用

目 录

绪论 1

第1章 温度传感器 9

1．1 电阻型温度传感器 9

1．1．1 金属热电阻 9

1．1．2 热敏电阻 11

1．1．3 半导体热电阻 15

1．1．4 电阻式温度传感器的应用 18

1．2 热电偶 22

1．2．1 热电偶的基本原理 22

1．2．2 热电偶的种类和结构 25

1．2．3 热电偶的实用测量电路 28

1．3 PN结型温度传感器 29

1．3．1 单PN结温度传感器 29

1．3．2 集成温度传感器 31

1．3．3 温敏闸流晶体管 34

1．3．4 结型温度传感器的应用 36

1．4 热释电器件 39

1．4．1 热释电效应及器件 39

1．4．2 双元型热释电传感器 40

1．4．3 热释电器件的应用 42

1．5 新型温度传感器及发展趋势 42

1．5．1 辐射温度传感器 42

1．5．2 温度传感器的发展趋势 44

习题与思考题 45

第2章 光敏传感器 46

2．1 外光电效应及器件 46

2．1．1 外光电效应 46

2．1．2 光电发射二极管 47

2．1．3 光电倍增管 49

2．1．4 光电倍增管的应用 54

2．2 光电导效应器件 54

2．2．1 光电导效应 54

2．2．2 光敏电阻及其偏置电路 56

2．2．3 光敏电阻的应用 59

2．3 光生伏特效应器件 60

2．3．1 光生伏特效应 60

2．3．2 典型的光生伏特探测器 61

2．3．3 光生伏特效应器件的应用 70

2．4 固态图像传感器 75

2．4．1 电荷耦合器件 75

2．4．2 CMOS固态图像传感器 82

2．4．3 图像传感器的应用 86

2．5 光纤传感器 87

2．5．1 光纤传感器的基本构成 87

2．5．2 光纤传感器的原理 88

2．5．3 光纤传感器 89

2．5．4 光纤光栅传感器 91

2．6 新型光敏传感器及发展动向 93

2．6．1 激光传感器 93

2．6．2 高分子光传感器 94

2．6．3 机器人光学阵列触觉系统 95

2．6．4 光敏传感器的发展动向 96

习题与思考题 96

第3章 力学量传感器 98

3．1 应变计 98

3．1．1 金属应变计 98

3．1．2 半导体应变计 102

3．1．3 应变计的测量电路 105

3．1．4 硅膜片上压阻全桥的设计 108

3．1．5 硅杯式压力传感器 110

3．1．6 应变式传感器的应用 112

3．2 压电式传感器 115

3．2．1 压电效应 115

3．2．2 典型材料的压电效应 116

3．2．3 压电传感器的相应电路 120

3．2．4 压电式传感器 123

3．3 电容式压力传感器 124

3．3．1 单电容压力传感器 124

3．3．2 差动式电容压力传感器 126

3．3．3 电容式集成压力传感器 127

3．3．4 电容式压力传感器的应用电路 129

3．4 电感式压力传感器 133

3．4．1 自感式压力传感器的工作原理 133

3．4．2 单电感压力传感器 134

3．4．3 差动式电感压力传感器 134

3．4．4 互感式压力传感器及其接口

电路 135

3．4．5 特点和应用 137

3．5 谐振式压力传感器 137

3．5．1 谐振式压力传感器的基本原理 137

3．5．2 测量接口电路 140

3．5．3 压电谐振传感器及其应用 140

3．6 新型力学量传感器及其发展 141

3．6．1 压电涂层传感器 141

3．6．2 力敏Z元件 141

3．6．3 基于硅微机械谐振传感器的稳

幅式真空计 143

3．6．4 机器人力学量传感器 144

3．6．5 力敏传感器的发展趋势 144

习题与思考题 144

第4章 磁敏传感器 146

4．1 霍尔器件 146

4．1．1 霍尔效应 147

4．1．2 霍尔元件 148

4．1．3 霍尔集成传感器 154

4．1．4 霍尔器件的应用 156

4．2 半导体磁阻器件 159

4．2．1 磁阻效应 159

4．2．2 磁阻元件 162

4．2．3 磁敏电阻的应用 163

4．3 结型磁敏器件 164

4．3．1 磁敏二极管 164

4．3．2 磁敏三极管 167

4．3．3 结型磁敏元件的应用 170

4．4 铁磁性磁敏元件 171

4．4．1 强磁性金属薄膜磁阻传感器 172

4．4．2 巨磁阻抗传感器 174

4．5 电感式磁传感器 177

4．5．1 电涡流磁传感器 177

4．5．2 磁通门 181

4．6 新型磁敏传感器及其发展趋势 189

4．6．1 CMOS磁敏器件 189

4．6．2 电磁式流量传感器 190

4．6．3 磁栅式传感器 190

4．6．4 磁敏传感器的发展前景 194

习题和思考题 194

第5章 气敏传感器 195

5．1 概述 195

5．2 半导体电阻式气敏传感器 196

5．2．1 表面电阻控制型气敏传感器 196

5．2．2 体电阻控制型气敏传感器 201

5．2．3 多层薄膜及复合型气敏传感器 204

5．3 结型气敏传感器 205

5．3．1 气敏二极管 205

5．3．2 MOSFET型气敏元件 207

5．4 浓差电池式气敏传感器 208

5．4．1 O2传感器 208

5．4．2 SO2和H2S传感器 212

5．5 接触燃烧式气敏传感器 212

5．5．1 气敏元件结构及其工艺 212

5．5．2 检测原理 213

5．5．3 气敏元件的优点及特性 214

5．6 光学类气敏传感器 215

5．6．1 红外吸收式气敏传感器 215

5．6．2 检测中的干扰因素及补偿方法 218

5．6．3 光纤吸收式气敏传感器 221

5．7 气敏传感器的应用及其发展 225

5．7．1 气敏传感器的典型应用 225

5．7．2 新型气敏传感器 227

5．7．3 气敏传感器的发展趋势 232

习题与思考题 232

第6章 湿敏传感器 234

6．1 概述 234

6．2 湿敏电阻 235

6．2．1 无机电解质湿敏传感器 235

6．2．2 高分子湿敏传感器 236

6．2．3 其他电阻式湿敏传感器 238

6．3 电容式湿敏传感器 239

6．3．1 湿敏电容器结构 239

6．3．2 多孔陶瓷湿敏电容器 240

6．3．3 高分子湿敏电容器 242

6．4 光学湿敏传感器 245

6．4．1 光敏薄膜式湿敏传感器 245

6．4．2 光纤式湿敏传感器 246

6．4．3 平面光波导式湿敏传感器 248

6．5 其他类型湿敏传感器 248

6．5．1 MOS型湿敏传感器 248

6．5．2 界限电流式高温湿敏传感器 248

6．5．3 射频湿敏传感器 250

6．6 湿敏传感器的应用及发展 251

6．6．1 湿度/电压与电容湿度/频率转换

电路 251

6．6．2 湿敏传感器的实用电路 252

6．6．3 新型湿敏传感器及其发展 254

习题与思考题 255

第7章 声波传感器 256

7．1 概述 256

7．1．1 声波 256

7．1．2 声波的物理性质 257

7．2 声波传感器的类型 259

7．2．1 电阻变换型声波传感器 260

7．2．2 静电变换型声波传感器 260

7．2．3 电磁变换型声波传感器 263

7．2．4 光电变换型声波传感器 264

7．3 超声波及其传感器 265

7．3．1 超声波 265

7．3．2 超声波换能器 265

7．3．3 超声波传感器 266

7．3．4 常用超声波传感器应用电路 271

7．4 声表面波传感器 274

7．4．1 SAW传感器的工作原理 275

7．4．2 实用的SAW传感器 276

7．5 声板波及其传感器 282

7．5．1 声板波 282

7．5．2 APM传感器 283

7．5．3 APM传感器的应用 283

7．6 次声波及其传感器 284

7．6．1 次声波及其特性 284

7．6．2 次声波传感器 284

7．6．3 次声波传感器的应用 285

7．7 微波声波及其延迟线 286

7．7．1 微波声波 286

7．7．2 微波声波延迟线 287

7．7．3 微波声波延迟线的应用 287

7．8 新型声波传感器及其发展 288

7．8．1 新型次声波传感器 288

7．8．2 听觉传感器 289

7．8．3 波传感器的发展趋势 289

习题与思考题 289

第8章 智能传感器 291

8．1 概述 291

8．2 智能传感器的原理 292

8．2．1 计算机型智能传感器 292

8．2．2 材料型智能传感器 294

8．2．3 结构型智能传感器 294

8．2．4 集成智能传感器 295

8．3 智能传感器的数据处理技术 298

8．3．1 非线性校正 298

8．3．2 自校准 302

8．3．3 自补偿 305

8．3．4 自适应 305

8．3．5 自诊断 306

8．3．6 噪声抑制与弱信号检测 306

8．4 智能传感器的接口技术 307

8．4．1 数据输出接口电路 307

8．4．2 智能传感器的接口芯片 307

8．4．3 IEEE 1451智能传感器的接口

标准 308

8．4．4 基于IEEE 1451标准的传感器 310

8．5 智能传感器应用实例 312

8．5．1 智能温度传感器 312

8．5．2 其他智能传感器 314

8．6 智能传感器新技术及其发展 317

8．6．1 多传感器信息融合技术 317

8．6．2 模糊传感器 320

8．6．3 人工神经网络 322

8．6．4 新型智能传感器系统 324

8．6．5 智能传感器的发展方向 325

习题与思考题 326

第9章 网络传感器 327

9．1 概述 327

9．1．1 网络传感器的概念与结构 327

9．1．2 网络传感器信息交换体系 329

9．1．3 网络传感器测控系统体系结构 329

9．2 网络传感器的通信协议 330

9．2．1 IEEE 802．15．4协议 330

9．2．2 蓝牙协议 330

9．3 无线传感器网络 336

9．3．1 WSN的特征 337

9．3．2 WSN的体系结构 337

9．3．3 WSN的通信技术 338

9．3．4 WSN的网络管理 343

9．3．5 WSN网络优化处理技术 350

9．3．6 WSN的应用 356

9．3．7 网络传感器的展望 360

习题与思考题 360

参考文献 361

本书以现代传感器原理及应用为背景，在详细论述基本传感器的原理、结构与应用的基础上，论述了智能传感器和网络传感器，介绍了一些新型传感器和设计中的相关技术及其实现方法，反映了传感、测试和控制技术的最新发展和重要应用。
全书内容共9章，其中第1～7章主要以测量对象种类为主线，依次全面、系统地论述了测量温度、光、力、磁、气体、湿度和声波/超声波等各类传感器的原理、结构、性能指标及其应用电路的设计，第8章介绍了智能传感器的工作原理、系统构成及智能化功能的实现方法等，第9章介绍了网络传感器的系统结构、网络管理及应用实例。